Этот метод позволяет стволовым клеткам, применяемым в местах разрыва, испытывать механическое напряжение, как это происходит при развивающихся эмбрионах. Эти силы могут способствовать дифференцировке стволовых клеток в хрящ и кость, а также стимулировать регенерацию других клеток кости.
Их результаты опубликованы в журнале Science Translational Medicine.
Стволовым клеткам нужны сигналы окружающей среды, чтобы дифференцироваться в клетки, составляющие уникальные ткани. Стволовые клетки, из которых состоят кости и хрящи, подвергаются механическим воздействиям во время развития и заживления, объяснил Эбен Альсберг, профессор биоинженерии и ортопедии Ричарда и Лоан Хилл из Иллинойского университета в Чикаго и старший автор статьи.
Когда кость заживает, стволовые клетки в костном мозге рядом с местом разрыва сначала становятся хрящевыми, а затем и костными клетками, в конечном итоге связывая разрыв.
Когда между сломанными или деформированными костями есть большие промежутки, нанесение дополнительных стволовых клеток на места переломов может помочь костям быстрее заживать, либо активно участвуя в процессе регенерации, либо стимулируя костеобразование соседними клетками.
Но чтобы использовать стволовые клетки для регенерации костей, их необходимо доставить к месту дефекта и соответствующим образом дифференцировать, чтобы стимулировать восстановление.
Альсберг и его коллеги разработали уникальный препарат клеток, с которым можно легко обращаться и манипулировать ими для имплантации, и который поддерживает процессы клеточной дифференцировки, которые происходят в эмбриональном развитии костей.
В препарате Альсберга стволовые клетки культивируются так, чтобы они связывались друг с другом, образуя листы или пробки. Препарат также содержит микрочастицы желатина, наполненные факторами роста, которые помогают дифференцироваться стволовым клеткам. Этими листами или заглушками можно манипулировать и имплантировать, что снижает склонность клеток к удалению.
Альсберг называет эти материалы «конденсатами»."
В предыдущих исследованиях Альсберг и его коллеги использовали конденсаты на модели грызунов, чтобы помочь залечить костные дефекты черепа. Они увидели, что конденсат остался на месте, и смогли улучшить скорость и степень регенерации костей.
Совсем недавно Альсберг объединился с Джоэлем Беркелем, доцентом кафедры ортопедической хирургии и биоинженерии в Penn Medicine и старшим автором статьи, чтобы продвинуть идею еще на один шаг вперед.
Boerckel разработал уникальный гибкий фиксатор.«Фиксаторы, как их называют хирурги-ортопеды, обычно представляют собой жесткие металлические пластины или стержни, которые используются для стабилизации костей в местах перелома. Такие фиксаторы сводят к минимуму количество механических повреждений, возникающих при заживлении.
Гибкий фиксатор Boerckel позволит клеткам в конденсатах Альсберга испытывать сжимающие силы, которые имеют решающее значение для стимуляции улучшенного образования хряща и кости.
Исследователи использовали модель на крысах, чтобы определить, как механические силы, присутствующие в дефектах кости, влияют на способность конденсатов способствовать регенерации кости. Когда исследователи использовали пласты конденсата вместе с гибким фиксатором у крыс с дефектом бедренной кости, они увидели, что заживление улучшилось, а кости имели лучшую механическую функцию по сравнению с контрольными крысами, которым вводили конденсат и жесткие традиционные фиксаторы.
«Устройства и методы, которые мы разрабатываем в результате этого исследования, также могут повлиять на то, как мы проводим физиотерапию после травм», – сказал Беркель. «Наши результаты подтверждают зарождающуюся парадигму« регенеративной реабилитации », концепцию, сочетающую принципы физиотерапии и регенеративной медицины.
Наша цель – понять, как механические стимулы влияют на поведение клеток, чтобы лучше повлиять на результаты лечения пациентов без дополнительных лекарств или устройств."
Анна Макдермотт, Девон Мейсон и Джозеф Коллинз из Пенсильванского университета; Самуэль Херберг и Руи Тан из Западного резервного университета Кейса; Хоуп Пирсон и Джеймс Давахар из Университета Нотр-Дам; Амит Патва и Марк Гринстафф из Бостонского университета и Дэниел Келли из Тринити-колледжа Дублина являются соавторами статьи.
Это исследование было поддержано Фондом Нотона; грант Института клинических и трансляционных наук Индианы 16SDG31230034; грант Национального научного фонда 1435467; Национальный институт артрита, скелетно-мышечных и кожных заболеваний предоставляет гранты R01 AR066193, R01 AR063194 и R01 AR069564; Грант Национального института биомедицинской визуализации и биоинженерии R01 EB023907; Грант Национального института стоматологических и черепно-лицевых исследований 5F32DE024712; Награда Национального института сердца, легких и крови T3HL134622 и награда Программы коммерциализации биомедицинских исследований штата Огайо TECG20150782.